机械钟、石英钟和原子钟原理简介

写在前面

2020 年 10 月 12 日部分网友称自己的手机的时间与北京时间相差较大,慢了几分钟到十几分钟不等,目前已经恢复正常。

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有趣的是,「格林尼治国际标准时间」就是在 135 年前的 10 月 13 日诞生的,而今天又是「世界标准日」。那就来简单介绍一下机械钟、石英钟和原子钟原理吧。

机械钟

机械钟的背后是「摆的等时性原理」,简单来说就是对于一个摆,它的周期与重物的质量和数量无关。

$$
T=2 \pi \sqrt{\frac{L}{g}},L 是摆长,g 是重力加速度。
$$

经过简单的计算可以知道当 $L=1m$ 时 $T \approx 2s$,也就是说一个摆长为 1 米的单摆它的周期大概是 2 秒。机械钟的原理就是这个。

摆钟是机械钟的一种,其中有一个结构叫做「擒纵器」,它的工作过程大概是这样的。

擒纵器工作原理

当重物摆动到最左端的时候擒纵器会卡住齿轮的右端,摆动到最右端的时候擒纵器会卡住齿轮的左端,无论卡住哪一端都会让齿轮停止运动、如果摆长是 1 米,那么就是大约每秒就会卡住一次齿轮,只要齿轮的转速和半径合适,就可以通过齿轮和擒纵器制作出秒针,再通过齿轮传动制作出分针和时针,然后一台摆钟的核心部分就做完了。我们听到的嘀嗒嘀嗒声就是擒纵器卡住齿轮时发出的声音。

石英钟

石英晶体本身会按照自身的「固有频率」进行震动,「固有频率」只与物体的本身属性有关,所以非常稳定,但是这个震动十分微弱,难以测量,那么我们就需要将这种震动放大。

石英钟背后的原理是「压电效应」,即某些电介质在发生形变的时候其表面会产生正电荷和负电荷,形变消失后正负电荷也会消失。当对其施加电场时,它也会发生形变,电场消失形变也随之消失。石英晶体就是具有「压电效应」的电介质之一。

有了「压电效应」后,我们可以对石英晶体施加交流电,当交流电的频率与石英晶体的「固有频率」相近时元件其震动就会变强,也就更容易测量。然后我们通过电路去测量这种震动,然后通过转换将其变为 1 Hz 的方波,用这种脉冲去驱动电机来驱动指针旋转,再通过传动装置制作出分针和时针,石英钟的核心部分就完成了。

石英钟的精度差不多 270 年才差 1 秒。

原子钟

原子是有能级的,通常都是在最低能级,处于最低能级的原子称为基态原子。如果一束光打到原子上,只要光的频率合适,就可以让原子跃迁到更高的能级,称为激发态原子。光消失后原子会自发地跃迁到最低能级,也就是回到基态,这个过程会释放光,这个光的能量与入射的光的能量是一样的。下文称能让铯原子跃迁激发态的光的频率为目标频率。

我们难以精确稳定地发出目标频率的光,但是我们可以使得光的频率稳定地在目标频率的周围变化。我们就用这种光打在铯原子团上,光的频率越接近目标频率,处于激发态的铯原子就会越多。然后我们就可以通过测量激发态原子的多少来确定当前的光的频率有多接近目标频率。

测量方式时检测激发态铯原子跃迁到基态时释放的光的强度。因为激发态的铯原子越多,回到激发态释放的光的铯原子也就越多,测量到的光强也就越大,我们会在横轴为照射频率,纵轴为光强的坐标系上看见看见峰值,这个峰值对应的光的频率就是最接近目标频率的光,下文称这个频率为 $f_0$

由于照射的频率在不断变化,新的峰值也会不断出现,这可以让我们不断地去矫正 $f_0$,$f_0$ 也会越来越接近目标频率。

然后我们将 $f_0$ 频率的光处理为电信号,通过电路去记录震荡次数,由于铯原子的振动频率时已知的,即 9192631770Hz,所以电路每振荡 9192631770 次就过了一秒。这种装置称为铯原子喷泉原子钟(Cesium Fountain Atomic Clock)。

原子钟的精度十分高。2015 年 NASA 的 Deep Space Atomic Clock,可以做到 100 亿年的误差不超过 1 秒。

本文作者:ADD-SP
本文链接:https://www.addesp.com/archives/2252
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